季凍區草炭土固結特性研究

韓伶敏 ，徐 燕 ，高 康

（吉林大學建設工程學院, 吉林 長春 130000）

草炭土是一種含有大量植物殘體、腐殖質及一部分礦物質的特殊土，在我國主要分布于大小興安嶺、長白山脈、青藏高原以及新疆大部分山區[1]。草炭土的工程性質很差，壓縮性高且工后沉降明顯，隨著道路工程的發展建設，大量的工程項目不可避免地穿越草炭土地區，路基多出現沉陷、基底被擠壓引起側向隆起、滑動坍塌等破壞現象[2]。因此亟需開展草炭土固結特性研究，為草炭土路基沉降預測提供理論和參數依據。

國內外對含纖維及腐殖質有機質土固結特性的研究主要有以下2個方面：（1）在固結壓縮研究方面，Whitlow[3]、Razali等[4]研究得到泥炭土的高壓縮性由高有機質含量和高纖維含量決定，并導致嚴重的沉降問題。Santaga等[5]研究表明泥炭土的固結壓縮特性受分解度的影響很大，分解度越低壓縮性越高，這是由于高含量植物纖維導致較高的含水率和孔隙比。Johari等[6]研究得出泥炭土中的纖維含量極大地影響著壓縮變形特性，纖維含量越高，含水率、孔隙比和壓縮指數越大，壓縮性越高，沉降量越大。桂躍等[7]探討了云南地區泥炭土不同影響因素對固結系數的影響及機制。呂巖等[8]研究了草炭土不同有機質含量下的壓縮、強度特性。（2）在固結蠕變研究方面，MacFarlane[9]發現泥炭土次固結系數較大，次固結變形量最高可占總沉降的60%。桂躍等[10]提出云南地區泥炭土次固結系數隨著固結壓力的增大，呈現先快速增大、到達峰值后逐步減小的規律，次固結系數峰值所對應的固結壓力在100～200 kPa之間，泥炭土次固結系數與壓縮指數比值（Cα/Cc）約為0.052。王竟宇等[11]探究了不同埋深和擾動狀態對大理泥炭土固結蠕變特性的影響。馮瑞玲等[12]以云南某高速公路泥炭土路段為依托，對不同有機質含量的泥炭土進行了基本性質試驗和一維蠕變試驗。李育紅等[13]對昆明滇池地區湖相泥炭土開展了主、次固結系數研究。以上對于含纖維及腐殖質有機質土固結特性的研究已取得了較多的成果，但對季凍區草炭土固結壓縮蠕變特性的研究仍相對匱乏。因此本文選取吉林省敦化市江源鎮典型季凍區草炭土為研究對象，開展一維固結壓縮試驗和一維固結蠕變試驗，分析壓縮系數、固結系數和次固結系數的分布范圍及纖維含量對草炭土主、次固結特性的影響規律。

1 草炭土的基本性質

采用ASTMD 2974—14[14]中的方法測得吉林敦化草炭土樣的有機質質量分數范圍為36.25%～81.35%，采用ASTMD 1997—13[15]中的方法測得草炭土樣的纖維質量分數范圍為19.83%～73.78%，如表1所示。

表1 吉林敦化草炭土不同深度有機質質量分數（Wu）和纖維質量分數（Wf）Table 1 Organic matter content and fiber content of the turfy soil at different depths near Dunhua in Jilin

根據ASTMD 4427—13[16]標準將纖維質土分為3類，Wf≥67%為纖維土，33%≤Wf＜67%為半纖維土，Wf＜33%為高分解土。選取高分解度草炭土（Wf=21%）、半纖維草炭土(Wf=34%、Wf=48%、Wf=59%)以及纖維草炭土（Wf=73%）試樣，進行5種纖維草炭土的固結試驗。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）[17]，測得吉林敦化草炭土試樣基本物理指標如表2所示。

表2 吉林敦化草炭土樣基本物理指標Table 2 Basic physical indexes of the turfy soil samples near Dunhua in Jilin

吉林敦化草炭土含水率與初始孔隙比隨纖維含量的增大而增大。當Wu=79.43%（Wf=73%）時，含水率和初始孔隙比最大，分別為416.83%、8.88。

表3為云南滇池[18]和云南大理[19]2種土樣的基本物理指標，可以看出，云南滇池土樣[18]中有機質質量分數范圍在15.7%～69.3%之間，有機質含量越大，含水率和初始孔隙比越大。Wu=69.3%時，含水率和初始孔隙比最大，分別為406.3%和6.4。而云南大理土[19]有機質含量與含水率沒有明顯規律。

表3 云南滇池土樣[18]和云南大理土樣[19]基本物理指標Table 3 Basic physical indexes of Yunnan Dianchi Lake soil samples and Yunnan Dali soil samples

敦化草炭土與云南滇池泥炭土的有機質含量范圍比較接近，敦化草炭土更疏松多孔。云南大理泥炭土有機質質量分數范圍在32.1%～41.8%之間，含水率范圍在118.0%～171.7%之間，含水率較前2種土偏小。

2 草炭土一維固結試驗方法

對吉林敦化5種纖維含量草炭土樣分別進行一維固結壓縮試驗和固結蠕變試驗，采用分級加載方式，具體試驗方案見表4。

表4 試驗方案Table 4 Test schemes

試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產的WG型三聯單杠桿固結儀，固結壓縮試驗穩定標準為每級壓力下固結24 h或1 h變形量不大于0.01 mm，固結蠕變穩定標準為24 h變形量不大于0.01 mm[17]?？紤]到草炭土的實際工程多以路基等工程為主，因此最大荷載采用400 kPa。

3 試驗結果及分析

3.1 先期固結壓力

由于草炭土埋深較淺，先期固結壓力較小。為確定草炭土先期固結壓力，固結壓縮試驗在常規初始固結壓力12.5 kPa之前分級施加2.4，3.9，6.3 kPa的固結壓力，穩定標準為試樣1 h變形量不大于0.01 mm。吉林敦化5種纖維含量草炭土試樣的e-p和e-lgp曲線如圖1所示?？紫侗萫隨固結壓力的增加遞減幅度變小。由于e-lgp曲線屈服階段的直線趨勢不易判斷，最大曲率點不易確定，采用傳統的Cassgrande方法來確定草炭土的先期固結壓力存在一定困難。針對這一問題，Onitsuka等[20]、Hong等[21]、桂躍等[10]等采用了ln(1+e)-lgp雙對數法較好地獲得了土的先期固結壓力。因而采用該法獲得5種纖維含量草炭土ln(1+e)-lgp雙對數曲線及先期固結壓力pc，如圖2所示。

圖1 吉林敦化草炭土不同纖維含量的壓縮曲線Fig.1 Compression curve of the Jilin Dunhua turfy soil with different fiber contents

圖2 原狀草炭土的ln(1+e)-lgp曲線Fig.2 ln(1+e)-lgp curves of the undisturbed turfy soil

纖維質量分數為21%、34%、48%、59%、73%草炭土樣的先期固結壓力分別為32.2，21.3，15.1，4.2，3.8 kPa，實際上覆土壓力為28.13，21.86，13.13，3.13，1.88 kPa，與先期固結壓力基本一致，為正常固結土。通過查閱相關的地質勘查報告，該地區并未發生過剝蝕搬運等地質變化，上層未施加過荷載，屬正常固結土。

3.2 草炭土的壓縮特性

壓縮系數a1-2＜0.1 MPa-1時為低壓縮性土，0.1 MPa-1≤a1-2＜0.5 MPa-1時為中壓縮性土，a1-2≥0.5 MPa-1時為高壓縮性土[17]。圖3為吉林敦化草炭土樣和云南滇池泥炭土樣的壓縮系數（av）和固結壓力的關系曲線。吉林敦化草炭土樣的壓縮系數范圍為1.49～51.74 MPa-1，云南滇池泥炭土樣[18]壓縮系數范圍為0.71～52.71 MPa-1，2種土均屬于高壓縮性土。

圖3 各土樣分級加載下av-p曲線Fig.3 av-p curves of each soil sample under graded loading

隨著纖維含量的增加，草炭土中絮狀、多孔結構增多。固結壓力一定時，纖維含量越大，壓縮系數越大，壓縮性越強。

3.3 草炭土的主固結特性

采用時間對數法計算草炭土的固結系數Cv。吉林敦化不同纖維含量草炭土和云南滇池泥炭土樣[18]的Cv-p曲線如圖4所示。

圖4 各土樣分級加載下的Cv-p曲線Fig.4 Cv-p curves of each soil sample under graded loading

沈珠江[22]經過研究總結出連云港淤泥質土固結系數范圍為5×10-5～4×10-3cm2/s，加瑞等[23]得到日本有明海沿岸黏土的固結系數基本處于10-6～10-4cm2/s量級之間，雷華陽等[24]得到天津地區吹填軟土的固結系數范圍為3.8×10-5～1.4×10-3cm2/s。圖4中吉林敦化草炭土樣的固結系數范圍為1.00×10-3～8.39×10-3cm2/s，云南滇池泥炭土樣[18]固結系數范圍為0.21×10-3～3.23×10-3cm2/s。吉林敦化草炭土固結系數比淤泥、黏土、軟土高，與云南滇池泥炭土樣[18]相比，草炭土的固結系數更大。固結系數隨固結壓力的增加而逐漸下降。固結壓力在12.5～100 kPa區間時，固結系數陡降趨勢明顯，云南滇池泥炭土樣[18]也有類似的規律。

對5種纖維含量草炭土固結系數和固結壓力進行冪函數擬合，結果如表5所示，兩者相關性較高，可為實際工程提供一定指導。

表5 不同纖維含量草炭土的Cv-p經驗關系表達式Table 5 Cv-P empirical relationship expression of the turfy soil with different fiber contents

3.4 草炭土的蠕變特性

3.4.1 次固結系數

通過室內一維固結蠕變試驗，得到5種纖維含量草炭土的e-lgt曲線（圖5）。e-lgt曲線均表現出反“S”型，采用Cassgrande作圖法確定其次固結系數Cα。

圖5 吉林敦化草炭土e-lgt曲線Fig.5 e-lgt curve of the turfy soil near Dunhua in Jilin

圖6為吉林敦化草炭土與云南大理泥炭土[19]次固結系數隨固結壓力的變化曲線，2種土樣的Cα-p曲線均呈現先上升、到達峰值后逐漸下降的趨勢。吉林敦化土樣次固結系數范圍為0.022 ～0.095，峰值出現在固結壓力50～100 kPa之間，云南大理泥炭土樣次固結系數的范圍為0.008 ～0.091，峰值出現在固結壓力100～200 kPa之間。固結壓力一定時，吉林敦化草炭土纖維含量越高，次固結系數越大，有機質含量越高，次固結系數越大；云南大理泥炭土樣[19]次固結系數與有機質含量之間未表現出明顯相關規律。

圖6 各土樣分級加載下Cα-p曲線Fig.6 Cα-p curves of each soil sample under graded loading

次固結系數Cα出現峰值是因為土體次固結變形由土骨架剛度變化決定，一方面，分級加載過程中，土體結構逐漸破環，土骨架剛度降低；另一方面，固結壓力的增加使得土體被壓密，提高了土骨架的剛度。兩方面因素綜合作用使得Cα出現峰值點，次固結系數Cα峰值點可看作土體壓密對土骨架剛度起主要作用的臨界點。

3.4.2 次固結系數Cα與壓縮指數Cc關系

Mesri等[25]等經過研究發現土的Cα/Cc壓縮法則。Walker等[26]對Leda地區黏土進行研究，得出次固結系數Cα與壓縮指數Cc近似滿足Cα/Cc=0.025。Brendan等[27]對多個地區的11種軟黏土進行一維固結蠕變試驗總結得出富含有機質土的Cα/Cc=0.05 ～ 0.06，碳酸鈣含量較高黏土的Cα/Cc=0.02。孫德安等[28]對上海飽和黏土進行試驗得到Cα/Cc=0.033 6。鄧岳保等[29]發現寧波軟土次固結系數Cα與壓縮指數Cc近似符合Cα/Cc=0.02±0.01。泥炭土的Cα/Cc值多處于0.05～0.07范圍內[30]。從力學機理上來看，Cα和Cc體現應力和時間因素對土壓縮變形的影響，雖分屬主固結和次固結兩個階段，但有很好的相關性。因此在實際工程中可以用較易獲得的Cc來預測相對難獲得的Cα。吉林敦化5種纖維含量草炭土Cα-Cc曲線如圖7所示。

圖7 不同纖維含量草炭土Cα-Cc關系曲線Fig.7 Cα-Cc curve of the turfy soil with different fiber contents

5種纖維含量草炭土的Cα和Cc具有一定的相關性，纖維質量分數為21%、34%、48%、59%、73%的草炭土，Cα/Cc值分別是0.045 2，0.033 1，0.030 3，0.024 6，0.024 5。

4 結論

（1）敦化市江源鎮草炭土的壓縮系數范圍為1.49～51.74 MPa-1，壓縮系數隨固結壓力增加而減小，固結壓力一定時，纖維含量越大，壓縮系數越大，壓縮性越強。

（2）固結系數的范圍為1.00×10-3～8.39×10-3cm2/s。隨著固結壓力增大，固結系數先快速減小，當固結壓力超過200 kPa后，固結系數逐漸趨于穩定；同一固結壓力下，纖維含量越高，固結系數越大。對5種纖維含量草炭土固結系數和固結壓力進行冪函數擬合，擬合效果較好。

（3）次固結系數范圍為0.022～0.095，在固結壓力前期，次固結系數隨固結壓力的增加而增大，至峰值后逐漸減小，峰值對應的固結壓力介于50～100 kPa之間。固結壓力一定時，纖維含量越大，固結蠕變越明顯，次固結系數越大。

（4）敦化市江源鎮草炭土的Cα和Cc具有一定的相關性，纖維質量分數為21%、34%、48%、59%、73%的草炭土對應的次固結系數與壓縮指數比值（Cα/Cc）分別是0.045 2，0.033 1，0.030 3，0.024 6，0.024 5。